Kov so štruktúrou skla

Kovové sklo je zliatina, ktorú s obyčajným sklom spája jediná spoločná črta – neusporiadaná štruktúra. Kovové sklá sa podarilo prvýkrát pripraviť začiatkom 60. rokov minulého storočia technológiou extrémne rýchleho chladenia taveniny.

Transformátory do vlakových meničov vyrábané v EVPU Nová Dubnica, materiál a spracovanie kovových skiel FÚ SAV

Sklo si spájame predovšetkým s priesvitnosťou. Kovové sklo je však nepriesvitný materiál, ktorý je mimoriadne pevný a tvrdý, dobre odoláva korózii a dá sa ľahko zmagnetizovať.

Súboj kryštalizácie a ochladzovania
Kovy a ich zliatiny, ktoré bežne používame v technickej praxi, majú základné stavebné jednotky (atómy) usporiadané do pravidelnej, periodicky sa opakujúcej kryštalickej mriežky. Kovové sklá však túto štruktúru nemajú. Ich atómy sú rozmiestnené neusporiadane, nenájdete v nich periodicky sa opakujúce polohy. Štruktúra akéhokoľvek skla pripomína štruktúru kvapaliny, v ktorej atómy tiež nemajú stále pozície v priestore. Preto sa kovové sklá niekedy označujú aj ako hlboko podchladené kvapaliny.
Pri klasických, napríklad kremenných sklách, nie je nevyhnutná vysoká rýchlosť ochladzovania taveniny a aj pri bežných rýchlostiach chladenia zostáva štruktúra kremenného skla – aj v tuhom stave – neusporiadaná (amorfná). Na dosiahnutie amorfnej štruktúry väčšiny kovov a ich zliatin je nutné extrémne rýchle ochladzovanie. Rýchlosť ochladzovania musí byť taká vysoká, aby zabránila kryštalizácii atómov kovu.
Keby sme chceli pripraviť čisté kovové prvky v nekryštalickom stave, potrebovali by sme rýchlosť ochladzovania na úrovni 108 K/s (teda asi sto miliónov stupňov za sekundu). To sa dá dosiahnuť len vo veľmi špeciálnych prípadoch, napríklad kondenzáciou kovových pár na dusíkom chladených podložkách. Takéto tenké vrstvy sú však veľmi nestabilné. No ak použijeme kovovú zliatinu dvoch a viacerých prvkov, potrebná rýchlosť ochladzovania sa výrazne zníži. Pre bežne v technickej praxi používané kovové sklá na báze TM-M, kde TM je tranzitívny kov (Fe, Co, Ni) a M je metaloid (B, Si, P, C), je potrebná rýchlosť ochladzovania 106 až 105 K/s. Jestvujú však aj špeciálne komplexné zliatiny, často na báze drahých kovov (najčastejšie paládia), pri ktorých je rýchlosť ochladzovania potrebná na dosiahnutie amorfnej štruktúry podobná ako pri kremennom skle, teda 103 až 1 K/s.

Rôzne druhy pások z kovového skla

Modifikácia vlastností materiálu
To, akú bude mať daný materiál štruktúru a vlastnosti, v najväčšej miere určuje chemické zloženie. Zmenou zloženia materiálu, napríklad zmenou pomeru zložiek alebo pridaním ďalších prísad, môžeme meniť jeho vlastnosti.
Ďalšou možnosťou ako meniť vlastnosti materiálu je tepelne ho spracovať, teda ohrievať, prípadne aj roztaviť, a potom ho chladiť rôznymi rýchlosťami. Z technickej praxe je známe rýchle chladenie materiálu jeho kalením v oleji či vo vode. Kalením sa modifikuje kryštalická štruktúra materiálu a zakalená zliatina má iné vlastnosti ako tá istá zliatina získaná pomalým ochladzovaním. Takto sa pripravujú napríklad špeciálne ocele. A ak sa nám podarí ochladiť taveninu tak rýchlo, že vznikne kovové sklo získame materiál nielen s novou štruktúrou, ale aj s výrazne inými vlastnosťami.
Technicky najpoužívanejšie kovové sklá na báze TM-M majú vhodnú kombináciu dobrých mechanických, chemických a predovšetkým magnetických vlastností. Sú mimoriadne pevné a tvrdé, dobre odolávajú korózii, dajú sa ľahko zmagnetizovať (ide teda o tzv. magneticky mäkké materiály).

Metóda rovinného liatia
Keďže získavanie kovových skiel si vyžaduje rýchlosť chladenia na úrovni 106 až 105 K/s, pripravujú sa tieto materiály výlučne v tvare tenkej fólie (pásky) metódou rovinného liatia. Pri tejto technológii sa roztavená zliatina pod tlakom leje cez špeciálne tvarovanú dýzu na rýchlo rotujúci medený valec. Tavenina dopadajúca na povrch valca okamžite stuhne a od valca sa už oddeľuje tenká páska kovového skla hrubá 20 až 40 μm.
Ak však pripravujeme špeciálne komplexné zliatiny, ktoré vyžadujú rýchlosti ochladzovania rádovo len 103 až 1 K/s, možno pripraviť aj objemové materiály, tzv. objemové kovové sklá (BMG – Bulk Metallic Glasses). Súčasný svetový rekord je tyč z BMG s priemerom 20 mm.

Výroba kovových skiel liatím taveniny na rotujúci medený valec v laboratórnom zariadení FÚ SAV

Elektrotechnika, elektronika a energetika
Kovové sklá sa používajú ako jadrá pre cievky, tlmivky či transformátory. Skúste si doma rozobrať trebárs PC – temer všetky jadrá miniatúrnych cievok v napájacích zdrojoch sú vyrobené z kovových skiel. Rovnako ochranné prvky proti napäťovým prepätiam na dátových kábloch. Nie je to tak dávno, čo každá videokamera, každý magnetofón (mladšia generácia nech si nájde na Googli, čo to bolo) mala čítacie a zapisovacie hlavy z týchto materiálov. Aj napájacie zdroje vo vlakoch ich obsahujú a vďaka nim môžete pri cestovaní používať klimatizáciu, osvetlenie i napájanie mobilu či notebooku bez ohľadu na druh a napätie trakčného vedenia. Tieto zdroje sú omnoho ľahšie a úspornejšie, ako keby sa použili klasické magnetické materiály.
Azda najrozšírenejšie použitie kovových skiel je v energetike. Keďže kovové sklá sú magneticky mäkké materiály s vysokým merným odporom, pri použití v jadrách transformátorov majú nižšie tzv. vlastné straty vírivými prúdmi oproti bežným materiálom. Takéto transformátory dokážu ušetriť 3 až 5 % prenášanej elektrickej energie.

Ochranné prvky a spájkovanie
Kovové sklá nájdete aj v ochranných prvkoch proti krádežiam v supermarketoch, ktoré sú takmer nesfalšovateľné: kým ochranné kolky sa dajú sofistikovane vytlačiť, zariadenie na výrobu kovových skiel si doma len tak nezostavíte. Vyrábajú sa z nich aj rôzne druhy senzorov, ktoré sú vzhľadom na vlastnosti kovových skiel odolné proti vplyvom okolia.
Zaujímavou výnimkou z radu kovových skiel význačných svojou kombináciou mechanických a magnetických vlastností sú kovové sklá na základe niklu s kombináciou prísad (Fe, Cr)-(Si, B). Zliatiny tohto typu sú tvrdé, krehké a nedajú sa bežne spracovať ani kovaním, ani valcovaním. Už dlhé desaťročia sa však používajú v podobe prášku, a to na tvrdé spájanie nehrdzavejúcich ocelí, žiaruvzdorných a žiarupevných zliatin. Použitie práškov ako spájok však vyžaduje aj použitie tavidiel, čo prináša rôzne komplikácie pri dávkovaní spájky do tesných priestorov, udržaní rovnomernosti na veľkých plochách či dodržanie čistoty spoja (bez zvyškov tavidla). Ak sa však takéto zliatiny pripravia vo forme kovového skla, kovová fólia sa môže na spájanie použiť priamo: jeden kus spájaného materiálu – fólia z kovového skla bez tavidla – protikus. Stlačiť, zahriať na príslušnú teplotu a diel vytvorený pevným spojením dvoch kovových častí je hotový. Takto sa vyrábajú diely do leteckých motorov, špeciálne výmenníky tepla, ale aj diely pre katalyzátory do áut. Mimochodom, toto bola prvá prakticky použitá aplikácia kovových skiel na trhu.
Kovové sklá sú aj vo vesmírnej sonde Pioneer 2, kde obal z kovového skla chráni elektroniku pred elektrickými a magnetickými poľami vesmíru na jej ceste ku hviezdam.

Senzor napätia z pások vyrobených na FÚ SAV umiestnený v prieskumnej štôlni tunela Višňové.

Mikromechanika a medicína
Z prvej generácie tzv. objemových kovových skiel (BMG) sa vyrábajú golfové palice, puzdrá na mobily, hodinky či notebooky odolné proti nárazom. Vynikajúco totiž dokážu absorbovať mechanickú energiu. Tieto aplikácie však ešte čakajú na nové, lacnejšie metódy výroby.
V rámci miniaturizácie mechanických súčiastok sa z BMG začínajú vyrábať aj drobné súčiastky, napríklad ozubené kolieska, do mikromechanických zariadení.
Ďalšia generácia BMG má iné pozoruhodné vlastnosti: ukázalo sa, že BMG na základe zliatiny Mg-Ca-Zn sa dokáže bez škodlivých následkov rozpustiť v ľudskom tele. To otvára nové zaujímavé možnosti napríklad pre liečbu komplikovaných zlomenín.

RNDr. Dušan Janičkovič
Laboratórium kovových skiel
Fyzikálny ústav SAV

Tento článok si môžete prečítať v časopise Quark 8/2019.

Ak chcete mať prístup aj k exkluzívnemu obsahu pre predplatiteľov alebo si objednať tlačenú verziu časopisu Quark, prihláste sa alebo zaregistrujte.

Komentáre